一种储能式轨道车辆充电系统的绝缘检测方法及控制器与流程

本发明涉及绝缘检测技术领域，特别是涉及一种储能式轨道车辆充电系统的绝缘检测方法及控制器。

背景技术：

目前，储能式轨道车辆的充电系统作为大功率充电设备，其正负极间的绝缘性要求较高。而储能式轨道车辆在复杂的应用环境下一旦出现部件、电缆老化，都可能导致绝缘性能下降，从而降低储能式轨道车辆的充电安全性；严重的话甚至可能会导致漏电或短路现象的发生，从而因热积累效应造成起火燃烧。因此，为保证储能式轨道车辆的充电安全性，必须增加对其充电系统的绝缘状态的检测。现有技术中，其它类车辆的充电设备大都采用检测绝缘电阻的阻值来衡量绝缘状态，但储能式轨道车辆的负极及其充电系统的负极均是接地的，因此采用检测绝缘电阻的阻值来衡量绝缘状态并不适用于储能式轨道车辆充电系统。而且，现有的绝缘检测方式大都需要额外增设检测电路，检测成本较高。

因此，如何提供一种解决上述技术问题的方案是本领域的技术人员目前需要解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种储能式轨道车辆充电系统的绝缘检测方法及控制器，解决了储能式轨道车辆及其充电系统负极接地情况下的绝缘检测问题，从而保证了储能式轨道车辆的充电安全性；且无需额外增设检测电路，只需在软件上对数据做相应处理即可，从而节省了检测成本。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种储能式轨道车辆充电系统的绝缘检测方法，应用于充电系统的控制器，包括：

预先获取在所述充电系统正常充电的情况下，储能式轨道车辆的储能电源两端的电压在预设充电时间内的电压上升预期值；

在所述充电系统为所述储能式轨道车辆充电的过程中，通过所述充电系统的输出电压传感器实时检测所述储能电源两端的电压，并定期求取其在所述预设充电时间内的电压上升实际值；

当所述电压上升预期值与所述电压上升实际值之间相差的电压值不大于预设电压阈值时，确定所述充电系统处于正常绝缘状态；当二者相差的所述电压值大于所述预设电压阈值时，确定所述充电系统处于异常绝缘状态。

优选地，所述预先获取在所述充电系统正常充电的情况下，储能式轨道车辆的储能电源两端的电压在预设充电时间内的电压上升预期值的过程具体为：

预先根据关系式求取储能式轨道车辆的储能电源两端的电压在预设充电时间内的电压上升预期值，其中，δu为所述电压上升预期值，i为所述充电系统的充电电流，δt为所述预设充电时间，c为所述储能电源内超级电容的电容值。

优选地，所述定期求取其在所述预设充电时间内的电压上升实际值的过程具体为：

将经过所述预设充电时间后的后时刻电压值与在所述后时刻电压值之前的前时刻电压值对应作差，以实时求取所述储能电源两端的电压在所述预设充电时间内的电压上升实际值。

优选地，该绝缘检测方法还包括：

预先设置所述充电系统对应的短路电压变化阈值；

则所述当二者相差的所述电压值大于所述预设电压阈值时，确定所述充电系统处于异常绝缘状态的过程具体为：

当二者相差的所述电压值大于所述预设电压阈值，且所述电压上升实际值大于所述短路电压变化阈值时，确定所述充电系统的输出端漏电；当二者相差的所述电压值大于所述预设电压阈值，且所述电压上升实际值不大于所述短路电压变化阈值时，确定所述充电系统的输出端短路。

优选地，所述当所述电压上升预期值与所述电压上升实际值之间相差的电压值不大于预设电压阈值时，确定所述充电系统处于正常绝缘状态；当二者相差的所述电压值大于所述预设电压阈值时，确定所述充电系统处于异常绝缘状态的过程具体为：

根据关系式求取所述电压上升实际值和所述电压上升预期值的比值，其中，δu'为所述电压上升实际值，δu为所述电压上升预期值；

当k1≤k≤1时，确定所述充电系统处于正常绝缘状态；当k2＜k＜k1时，确定所述充电系统的输出端漏电；当0≤k≤k2时，确定所述充电系统的输出端短路；其中，1＞k1＞k2＞0，k1为预先根据所述充电系统的采集精度及充电工况所设置的漏电比值阈值，k2为预先根据所述充电系统的采集精度及充电工况所设置的短路比值阈值。

优选地，该绝缘检测方法还包括：

当确定所述充电系统的输出端漏电时，控制所述充电系统停止充电，并控制所述充电系统的显示屏显示漏电故障信息；

当确定所述充电系统的输出端短路时，控制所述充电系统停止充电，并控制所述充电系统的显示屏显示短路故障信息。

优选地，k1＝0.8，k2＝0.2。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种储能式轨道车辆充电系统的控制器，包括：

预期值获取单元，用于预先获取在所述充电系统正常充电的情况下，储能式轨道车辆的储能电源两端的电压在预设充电时间内的电压上升预期值；

实际值求取单元，用于在所述充电系统为所述储能式轨道车辆充电的过程中，通过所述充电系统的输出电压传感器实时检测所述储能电源两端的电压，并定期求取其在所述预设充电时间内的电压上升实际值；

绝缘状态确定单元，用于当所述电压上升预期值与所述电压上升实际值之间相差的电压值不大于预设电压阈值时，确定所述充电系统处于正常绝缘状态；当二者相差的所述电压值大于所述预设电压阈值时，确定所述充电系统处于异常绝缘状态。

优选地，所述预期值获取单元具体用于预先根据关系式求取储能式轨道车辆的储能电源两端的电压在预设充电时间内的电压上升预期值，其中，δu为所述电压上升预期值，i为所述充电系统的充电电流，δt为所述预设充电时间，c为所述储能电源内超级电容的电容值。

优选地，该控制器还包括：

短路阈值预设单元，用于预先设置所述充电系统对应的短路电压变化阈值；

则所述绝缘状态确定单元包括：

第一确定子单元，用于当所述电压上升预期值与所述电压上升实际值之间相差的电压值不大于预设电压阈值时，确定所述充电系统处于正常绝缘状态；

第二确定子单元，用于当二者相差的所述电压值大于所述预设电压阈值，且所述电压上升实际值大于所述短路电压变化阈值时，确定所述充电系统的输出端漏电；

第三确定子单元，用于当二者相差的所述电压值大于所述预设电压阈值，且所述电压上升实际值不大于所述短路电压变化阈值时，确定所述充电系统的输出端短路。

本发明提供了一种储能式轨道车辆充电系统的绝缘检测方法，应用于充电系统的控制器，包括：预先获取在充电系统正常充电的情况下，储能式轨道车辆的储能电源两端的电压在预设充电时间内的电压上升预期值；在充电系统为储能式轨道车辆充电的过程中，通过充电系统的输出电压传感器实时检测储能电源两端的电压，并定期求取其在预设充电时间内的电压上升实际值；当电压上升预期值与电压上升实际值之间相差的电压值不大于预设电压阈值时，确定充电系统处于正常绝缘状态；当二者相差的电压值大于预设电压阈值时，确定充电系统处于异常绝缘状态。

本申请考虑到在充电系统正常充电(即充电系统处于正常绝缘状态)的情况下，储能式轨道车辆的储能电源两端的电压在一定充电时间内的电压上升预期值是个定值，所以本申请对应求取电压上升实际值，当电压上升预期值与电压上升实际值之间相差的电压值在允许范围内时，认为充电系统此时处于正常绝缘状态；否则处于异常绝缘状态，从而解决了储能式轨道车辆及其充电系统负极接地情况下的绝缘检测问题，进而保证了储能式轨道车辆的充电安全性。而且，本申请的绝缘检测方法无需额外增设检测电路，只需在软件上对数据做相应处理即可，从而节省了检测成本。

本发明还提供了一种储能式轨道车辆充电系统的控制器，与上述绝缘检测方法具有相同的有益效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种储能式轨道车辆充电系统的绝缘检测方法的流程图；

图2为本发明提供的一种储能式轨道车辆的充电示意图；

图3(a)为本发明提供的一种充电系统在正常充电情况下的充电示意图；

图3(b)为本发明提供的一种充电系统在漏电充电情况下的充电示意图；

图4为本发明提供的一种储能式轨道车辆充电系统的控制器的结构示意图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种储能式轨道车辆充电系统的绝缘检测方法及控制器，解决了储能式轨道车辆及其充电系统负极接地情况下的绝缘检测问题，从而保证了储能式轨道车辆的充电安全性；且无需额外增设检测电路，只需在软件上对数据做相应处理即可，从而节省了检测成本。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参照图1，图1为本发明提供的一种储能式轨道车辆充电系统的绝缘检测方法的流程图。

该储能式轨道车辆充电系统的绝缘检测方法应用于充电系统的控制器，包括：

步骤s1：预先获取在充电系统正常充电的情况下，储能式轨道车辆的储能电源两端的电压在预设充电时间内的电压上升预期值。

需要说明的是，本申请的预设是提前设置好的，只需要设置一次，除非根据实际情况需要修改，否则不需要重新设置。

具体地，请参照图2，图2为本发明提供的一种储能式轨道车辆的充电示意图。图2中，1-充电系统，2-输出熔断器，3-受电器，4-充电轨，5-储能式车辆，6-钢轨；其中，充电系统1主要由控制器、变流单元、输出电流传感器、输出电压传感器及输出熔断器2等组成。更详细地，充电系统1的输出正极dc+通过电缆与充电轨4相连、输出负极dc-通过电缆与钢轨6相连。储能式车辆5的储能电源(简称车载储能电源)的正极与受电器3相连、负极与轴端接地装置相连。当储能式车辆5驶入停站区间后，受电器3与充电轨4接触，此时充电系统1的控制器便可通过输出电压传感器检测到车载储能电源两端的电压，充电系统1开始为车载储能电源充电。

请参照图3(a)及图3(b)，图3(a)为本发明提供的一种充电系统在正常充电情况下的充电示意图，图3(b)为本发明提供的一种充电系统在漏电充电情况下的充电示意图。

如图3(a)所示，在充电系统正常充电(即充电系统处于正常绝缘状态)的情况下，其正极电缆对地之间绝缘，阻抗无限大，充电系统的充电电流i＝车载储能电源的输入电流i1。如图3(b)所示，当出现正极电缆破损的情况下，正极电缆对地之间的阻抗减小，充电系统的充电电流i会有一部分通过破损处对地放电，产生了漏电流i2，则此时充电系统的充电电流i为车载储能电源的输入电流i1与漏电流i2之和，即i＝i1+i2。

已知储能式轨道车辆的储能电源由超级电容串并联组成，根据超级电容的充电特性q＝δu·c＝i1·δt，可知车载储能电源的电压上升变化率：其中，q为车载储能电源的电荷量，δt为预设充电时间，δu为在δt内车载储能电源的电压上升值，c为车载储能电源内超级电容的电容值(总电容值)。可见，在充电系统正常充电的情况下，而且，当充电电流i、电容值c一定的情况下，电压上升变化率理论上是个定值(车辆负载的消耗电量忽略不计，电压上升变化率基本固定在某一个范围)。因此，在不存在漏电流的情况下，在相同充电时间内电压上升值理论上是个定值(在不存在漏电流的情况下的电压上升值称为电压上升预期值)，则车载储能电源在预设充电时间δt内的电压变化为：其中，u1为在第一时刻的电压值，称为前时刻电压值，u2为从第一时刻开始计时，计时时间到达预设充电时间δt时的电压值，称为后时刻电压值。

若充电系统充电过程中出现电缆破损，正极电缆对地放电产生漏电流或短路，则车载储能电源的输入电流i1变小，电压上升变化率随之变化。此时，由于i1减小，所以δu也相应减小。基于此，本申请可以利用充电系统原本的控制器及输出电压传感器实时监测充电过程中车载储能电源的电压变化(输出电压传感器：检测车载储能电源两端的电压，并传送至控制器；控制器：实时监测车载储能电源的电压变化)，从而衡量充电系统的绝缘状态，无需额外增设检测电路，从而节省了检测成本。

具体地，本申请首先需要提前设置一个充电时间，然后针对当前的储能式轨道车辆的电容容值及其充电系统的充电电流，求取在充电系统正常充电的情况下，车载储能电源两端的电压在所设充电时间内的电压上升预期值。

步骤s2：在充电系统为储能式轨道车辆充电的过程中，通过充电系统的输出电压传感器实时检测储能电源两端的电压，并定期求取其在预设充电时间内的电压上升实际值。

具体地，为了衡量充电系统的绝缘状态，在充电系统实际为储能式轨道车辆充电的过程中，通过充电系统的输出电压传感器实时检测车载储能电源两端的电压，并定期求取车载储能电源在所设充电时间内的电压上升实际值，以为后续衡量充电系统的绝缘状态打下基础。

步骤s3：当电压上升预期值与电压上升实际值之间相差的电压值不大于预设电压阈值时，确定充电系统处于正常绝缘状态；当二者相差的电压值大于预设电压阈值时，确定充电系统处于异常绝缘状态。

具体地，已知理想状态下：电压上升实际值＝电压上升预期值，但本申请考虑到储能式轨道车辆在充电时，其所包含的空调等辅助设备会消耗一部分能量，使得车载储能电源的电压上升实际值略小于电压上升预期值。所以，本申请提前设置一个电压阈值(根据车辆辅助用电和损耗来确定)，认为：若二者相差的电压值不大于所设电压阈值，充电系统处于正常绝缘状态；若二者相差的电压值大于所设电压阈值，充电系统处于异常绝缘状态。可见，本申请能在较短的时间内对异常绝缘状态做出判断，便可在充电系统处于异常绝缘状态时立即切断电源，从而保证了储能式轨道车辆的充电安全性，且避免导致更严重的设备损失。

本发明提供了一种储能式轨道车辆充电系统的绝缘检测方法，应用于充电系统的控制器，包括：预先获取在充电系统正常充电的情况下，储能式轨道车辆的储能电源两端的电压在预设充电时间内的电压上升预期值；在充电系统为储能式轨道车辆充电的过程中，通过充电系统的输出电压传感器实时检测储能电源两端的电压，并定期求取其在预设充电时间内的电压上升实际值；当电压上升预期值与电压上升实际值之间相差的电压值不大于预设电压阈值时，确定充电系统处于正常绝缘状态；当二者相差的电压值大于预设电压阈值时，确定充电系统处于异常绝缘状态。

本申请考虑到在充电系统正常充电的情况下，储能式轨道车辆的储能电源两端的电压在一定充电时间内的电压上升预期值是个定值，所以本申请对应求取电压上升实际值，当电压上升预期值与电压上升实际值之间相差的电压值在允许范围内时，认为充电系统此时处于正常绝缘状态；否则处于异常绝缘状态，从而解决了储能式轨道车辆及其充电系统负极接地情况下的绝缘检测问题，进而保证了储能式轨道车辆的充电安全性。而且，本申请的绝缘检测方法无需额外增设检测电路，只需在软件上对数据做相应处理即可，从而节省了检测成本。

在上述实施例的基础上：

作为一种优选地实施例，预先获取在充电系统正常充电的情况下，储能式轨道车辆的储能电源两端的电压在预设充电时间内的电压上升预期值的过程具体为：

预先根据关系式求取储能式轨道车辆的储能电源两端的电压在预设充电时间内的电压上升预期值，其中，δu为电压上升预期值，i为充电系统的充电电流，δt为预设充电时间，c为储能电源内超级电容的电容值。

具体地，本实施例的内容在上述实施例已详细介绍，本申请在此不再赘述。

作为一种优选地实施例，定期求取其在预设充电时间内的电压上升实际值的过程具体为：

将经过预设充电时间后的后时刻电压值与在后时刻电压值之前的前时刻电压值对应作差，以实时求取储能电源两端的电压在预设充电时间内的电压上升实际值。

具体地，为实现实时求取车载储能电源在所设充电时间内的电压上升实际值，本申请将从初始检测车载储能电源两端的电压开始的所有检测电压(1s、2s、3s……)作为前时刻电压值的集合，将所设充电时间δt(根据充电系统的实际充电工况确定)后的所有检测电压(1s+δt、2s+δt、3s+δt……)作为后时刻电压值的集合，从而将后时刻电压值与前时刻电压值一一对应作差(从1s+δt时刻开始，每隔一秒求取一次电压上升实际值)，从而实现实时求取电压上升实际值的目的。

当然，本申请也可以周期性求取电压上升实际值，即从1s+δt时刻开始，每隔预设周期时间(大于一秒)求取一次电压上升实际值。至于实时求取还是周期性求取电压上升实际值，本申请在此不做特别的限定，根据实际情况而定。

作为一种优选地实施例，该绝缘检测方法还包括：

预先设置充电系统对应的短路电压变化阈值；

则当二者相差的电压值大于预设电压阈值时，确定充电系统处于异常绝缘状态的过程具体为：

当二者相差的电压值大于预设电压阈值，且电压上升实际值大于短路电压变化阈值时，确定充电系统的输出端漏电；当二者相差的电压值大于预设电压阈值，且电压上升实际值不大于短路电压变化阈值时，确定充电系统的输出端短路。

进一步地，充电系统处于异常绝缘状态有两种情况：充电系统的输出端漏电(有漏电流但未完全对地短路，因此正极电缆对地存在一定电阻，车载储能电源的电压上升实际值会小于电压上升预期值，但车载储能电源的电压仍有可见的变化)，和充电系统的输出端短路(此时车载储能电源的电压变化很小，在完全对地短路的情况下，车载储能电源的充电电流为0，电压基本没有变化)。

基于此，本申请在充电系统处于异常绝缘状态的基础上，根据车载储能电源的电压变化大小判定充电系统的输出端是属于漏电情况还是短路情况。具体地，本申请提前设置一个短路电压变化阈值，认为：若二者相差的电压值大于所设电压阈值，且电压上升实际值大于所设短路电压变化阈值，充电系统的输出端漏电；若二者相差的电压值大于所设电压阈值，且电压上升实际值不大于短路电压变化阈值，充电系统的输出端短路。

作为一种优选地实施例，当电压上升预期值与电压上升实际值之间相差的电压值不大于预设电压阈值时，确定充电系统处于正常绝缘状态；当二者相差的电压值大于预设电压阈值时，确定充电系统处于异常绝缘状态的过程具体为：

根据关系式求取电压上升实际值和电压上升预期值的比值，其中，δu'为电压上升实际值，δu为电压上升预期值；

当k1≤k≤1时，确定充电系统处于正常绝缘状态；当k2＜k＜k1时，确定充电系统的输出端漏电；当0≤k≤k2时，确定充电系统的输出端短路；其中，1＞k1＞k2＞0，k1为预先根据充电系统的采集精度及充电工况所设置的漏电比值阈值，k2为预先根据充电系统的采集精度及充电工况所设置的短路比值阈值。

具体地，本申请可采用比值方式表示电压上升实际值与电压上升预期值之间的值差距，k＝电压上升实际值/电压上升预期值。相应地，设置漏电比值阈值k1和短路比值阈值k2，认为：若k1≤k≤1(理想情况下k＝1，车辆辅助用电和损耗越小，k越接近1)，则充电系统处于正常绝缘状态；若k2＜k＜k1，充电系统的输出端漏电；若0≤k≤k2，充电系统的输出端短路。

当然，本申请也可采用作差方式表示电压上升实际值与电压上升预期值之间的值差距，本申请在此不做特别的限定。

作为一种优选地实施例，该绝缘检测方法还包括：

当确定充电系统的输出端漏电时，控制充电系统停止充电，并控制充电系统的显示屏显示漏电故障信息；

当确定充电系统的输出端短路时，控制充电系统停止充电，并控制充电系统的显示屏显示短路故障信息。

进一步地，本申请的绝缘检测方法还包括：当确定充电系统处于异常绝缘状态时，控制充电系统停止充电，从而保证充电的安全性；且控制充电系统的显示屏显示相应故障信息(充电系统的输出端漏电-显示漏电故障信息，充电系统的输出端短路-显示短路故障信息)，从而及时提醒管理人员进行故障处理。

作为一种优选地实施例，k1＝0.8，k2＝0.2。

具体地，根据项目实际情况及经验，设定k1＝0.8，k2＝0.2，本申请在此不做特别的限定，可根据当前的充电系统的采集精度及充电工况进行调整。

请参照图4，图4为本发明提供的一种储能式轨道车辆充电系统的控制器的结构示意图。

该储能式轨道车辆充电系统的控制器包括：

预期值获取单元01，用于预先获取在充电系统正常充电的情况下，储能式轨道车辆的储能电源两端的电压在预设充电时间内的电压上升预期值；

实际值求取单元02，用于在充电系统为储能式轨道车辆充电的过程中，通过充电系统的输出电压传感器实时检测储能电源两端的电压，并定期求取其在预设充电时间内的电压上升实际值；

绝缘状态确定单元03，用于当电压上升预期值与电压上升实际值之间相差的电压值不大于预设电压阈值时，确定充电系统处于正常绝缘状态；当二者相差的电压值大于预设电压阈值时，确定充电系统处于异常绝缘状态。

作为一种优选地实施例，预期值获取单元01具体用于预先根据关系式求取储能式轨道车辆的储能电源两端的电压在预设充电时间内的电压上升预期值，其中，δu为电压上升预期值，i为充电系统的充电电流，δt为预设充电时间，c为储能电源内超级电容的电容值。

作为一种优选地实施例，该控制器还包括：

短路阈值预设单元，用于预先设置充电系统对应的短路电压变化阈值；

则绝缘状态确定单元03包括：

第一确定子单元，用于当电压上升预期值与电压上升实际值之间相差的电压值不大于预设电压阈值时，确定充电系统处于正常绝缘状态；

第二确定子单元，用于当二者相差的电压值大于预设电压阈值，且电压上升实际值大于短路电压变化阈值时，确定充电系统的输出端漏电；

第三确定子单元，用于当二者相差的电压值大于预设电压阈值，且电压上升实际值不大于短路电压变化阈值时，确定充电系统的输出端短路。

本申请提供的控制器的介绍请参考上述绝缘检测方法的实施例，本申请在此不再赘述。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。